Le fonti termiche a temperatura moderata spesso irradiano calore di scarto come sottoprodotto del lavoro meccanico, reazioni chimiche o nucleari, o elaborazione delle informazioni. In un nuovo rapporto in Scienza , Paul S. Davids e un gruppo di ricerca presso il Sandia National Laboratory negli Stati Uniti, ha dimostrato la conversione della radiazione termica in energia elettrica. Per questo, hanno utilizzato un diodo tunnel di ossido di silicio e metallo complementare accoppiato a reticolo bipolare. Utilizzando un meccanismo di pompaggio di carica tunneling assistito da fotoni in due fasi, il team ha separato i portatori di carica in pozzi di giunzione pn per sviluppare un grande, tensione a circuito aperto attraverso un carico. Gli scienziati hanno mostrato sperimentalmente la generazione di energia elettrica da una sorgente termica a banda larga a corpo nero con densità di potenza convertite da 27 a 61 µW/cm ² per fonti termiche tra 250 gradi C e 400 gradi C. La conversione scalabile ed efficiente dimostrata del calore di scarto irradiato in energia elettrica può essere utilizzata per ridurre il consumo di energia, al fine di alimentare elettronica e sensori.

A temperatura finita:tutti gli oggetti irradiano a causa delle fluttuazioni termiche dei loro costituenti atomici in uno spettro caratteristico che dipende dalla temperatura superficiale e dall'emissività spettrale dell'oggetto. Il trasferimento di calore radiativo del sole è la principale risorsa di energia radiativa attualmente disponibile per la Terra e la generazione di energia fotovoltaica è una tecnica efficace e in rapida crescita che mira a convertire questa radiazione incidente in energia elettrica (ad esempio celle solari). Però, altre fonti di calore radiativo, comprese le fonti terrestri più fredde o il calore di scarto prodotto dall'uomo, possono dar luogo a un notevole scambio netto di energia come fonte di energia elettrica prontamente disponibile, fornito una conversione efficiente.

Nuovi approcci per la conversione dell'energia e il pompaggio di carica mediato da fotoni.

I dispositivi termofotovoltaici (TPV) che convertono la radiazione proveniente da fonti termiche a banda larga in energia elettrica sono tecnologie promettenti per convertire l'energia solare e per il recupero del calore di scarto. Tali dispositivi funzionano generalmente riscaldando una sorgente termica secondaria come emettitore selettivo, dove uno spettro di emissione viene filtrato e abbinato a un piccolo dispositivo a semiconduttore a banda proibita. Il dispositivo a semiconduttore può essere una giunzione pn progettata in modo che l'assorbimento di un fotone avvenga nella sua regione di esaurimento creando una coppia di lacune di elettroni e provocando la separazione della carica e l'induzione di una tensione a circuito aperto attraverso il dispositivo. Però, La conversione del TPV da una sorgente a temperatura moderata per la generazione di energia su larga scala può essere molto impegnativa. Gli scienziati hanno quindi proposto una varietà di approcci per migliorare l'efficienza di conversione del TPV da fonti a temperatura moderata.

Per esempio, approcci alternativi per la conversione termica in elettrica si basavano sulla rettifica diretta (conversione di corrente alternativa in corrente continua) della radiazione infrarossa mediante tunneling ultraveloce. David et al. ha suggerito un nuovo mezzo per la conversione termica fotovoltaica da una fonte termica di basso grado nell'intervallo di temperatura da 100 gradi C a 400 gradi C tramite tunneling fotoni-assistita e un campo ottico confinato che varia nello spazio nella barriera del tunnel. Una matrice di giunzione pn bipolare interdigitata sotto l'elettrodo di gate tunneling ha agito come una pompa di carica per spostare gli elettroni dalla regione di tipo p alla regione di tipo n all'interno del campo ottico. Gli scienziati hanno ottimizzato la configurazione e hanno contattato separatamente le regioni p e n interdigitate per misurare la generazione di energia attraverso una resistenza di carico esterno variabile, R—che mette in cortocircuito la giunzione pn. Gli effettivi circuiti moltiplicatori di tensione del diodo hanno portato a un miglioramento di ordini di grandezza nella generazione di energia elettrica rispetto alla rettifica diretta.

Modellazione del dispositivo.

Un modello di dispositivo ideale per la conversione fotovoltaica termica in un raddrizzatore a diodi tunnel accoppiato ad antenna bipolare contiene generalmente una giunzione pn simmetrica sepolta, sotto una porta metallica MOS (metal-ossido-silicio) di equilibrio. Il dispositivo può essere illuminato da una sorgente termica modellata come un emettitore a banda larga del corpo nero. David et al. osservato una corrente complessa a causa della complessa ammettenza (flusso di corrente) del diodo tunnel, in base alla sua conduttanza e capacità. La tensione CC autoconsistente potrebbe essere stimata dalla condizione di corrispondenza della corrente, che richiedeva che le correnti di semiperiodo generate nel dispositivo fossero uguali e in versi opposti. Come caratteristica fondamentale del dispositivo di conversione bipolare, il team ha notato una periodica giunzione pn sepolta sotto il metallo, per l'archiviazione della carica, pompato dall'azione combinata delle due giunzioni del tunnel polarizzate in avanti. Hanno notato che maggiore è la tensione a circuito aperto, maggiore è la generazione di energia nel dispositivo bipolare.

Risultati sperimentali

Gli scienziati hanno misurato la generazione di energia elettrica da una fonte a temperatura moderata utilizzando una configurazione TPV sotto vuoto, con uno spazio di scala di circa 2 mm tra il campione e la fonte di calore. Il dispositivo conteneva tre terminali con regioni n e p interdigitate con n separato, p e contatti metallici. Hanno misurato la tensione indotta dalla sorgente termica a temperatura fissa cortocircuitando le giunzioni pn con un resistore a carico variabile. Hanno seguito questo con misurazioni della tensione indotta in funzione della resistenza di carico con un nanovoltmetro. I parametri di processo e dispositivo hanno svolto un ruolo fondamentale durante le prestazioni del dispositivo bipolare.

Lo spessore dell'ossido e la composizione del dispositivo hanno anche influenzato la resistenza al tunneling e la concentrazione del campo di dispersione di epsilon vicino allo zero. Inoltre, le condizioni dell'impianto e i cicli di ricottura termica hanno fortemente influenzato le caratteristiche della giunzione pn sotto la porta metallica. David et al. confermato le caratteristiche dei dispositivi fabbricati utilizzando due immagini trasversali al microscopio elettronico a trasmissione (TEM), di due diversi dispositivi (dispositivo 1 e dispositivo 2) – presi sotto il cancello metallico.

David et al. confermata la composizione di allumina dei dispositivi mediante spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS). L'impatto dello spesso strato di allumina ha spostato la densità di potenza di picco a temperature della sorgente più basse, poiché le risonanze fononiche longitudinali si sono verificate approssimativamente a 200 gradi C. Il lavoro ha mostrato una complessa interazione della modalità fononica longitudinale dell'ossido di gate e dei parametri di progettazione del dispositivo che hanno determinato la potenza di uscita per questa nuova forma di conversione fotovoltaica. Ciò ha permesso a Davids et al. per regolare la temperatura operativa del dispositivo sintonizzando la risonanza fononica longitudinale. I dispositivi bipolari hanno superato di gran lunga il limite della rettifica diretta (conversione da ac a dc), suggerendo che il tunneling assistito da fotoni e la separazione di carica potrebbero essere ulteriormente migliorati attraverso l'ottimizzazione dei dispositivi e dei processi.

In questo modo, Paul S. Davids e colleghi hanno dimostrato un'efficiente conversione delle fonti termiche radiative a temperatura moderata come una risorsa in gran parte non sfruttata per la raccolta di energia. Hanno costruito la conversione di energia termica radiativa in energia elettrica su un dispositivo di tunneling accoppiato a reticolo bipolare come scalabile, tecnologia compatta di raccolta dell'energia. I dispositivi possono essere utilizzati come convertitore di energia autonomo o in combinazione con generatori di energia termoelettrica. Il metodo si basa su pozzetti di tipo n e p in un dispositivo accoppiato a reticolo bipolare. I risultati hanno mostrato una densità di potenza elettrica di 61 µW/cm ² da una sorgente termica a 350 gradi C per un'efficienza di conversione stimata che si avvicina all'efficienza della conversione TPV, ma con temperature della sorgente significativamente più basse. David et al. ottimizzerà l'architettura del dispositivo e il suo processo per una migliore generazione di energia.

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